[发明专利]一种基于冷阴极的双向多注行波级联放大器

说明书

本发明属于微波、毫米波以及太赫兹频段真空电子器件领域，提供一种基于冷阴极的双向多注行波级联放大器，采用多对行波慢波结构、以及前端与后端冷阴极平板电子枪共同构成的多电子注行波级联的阵列结构，每对行波慢波结构由并排设置的输入级慢波电路与输出级慢波电路构成，行波慢波结构之间、及其中输入级慢波电路与输出级慢波电路之间均通过矩形耦合槽相互连通；由于慢波电路具有宽带特性，而且电磁能量信号可以沿行波慢波电路以及耦合槽进行传递和放大，通过级联多对行波慢波结构，不仅保证整个系统具有宽带特性，还具有增益叠加的效果；并且，整个电路具有很好的能量回收机制，最终使得本发明具有宽频带、高增益、高互作用效率的优点。

技术领域

本发明属于微波、毫米波以及太赫兹频段真空电子器件领域，具体提供了一种基于冷阴极的双向多电子注且具有宽频带、高效率的行波级联放大器。

背景技术

真空电子器件作为现代军事应用和国民经济众多领域的重要组成部分，其在通信、雷达、电子对抗、卫星通信、射电天文、广播电台、以及医学诊断治疗等领域都具有广泛的应用。然而自20世纪末开始，随着半导体产业和集成电路技术的迅猛发展，真空电子器件在相当大的电子信息领域逐渐失去了主导地位，并且正在承受着固态电子器件发展的冲击。但是，由于新型半导体器件仍然不是很成熟，因此目前所发展的固态功率器件在能量效率、工作频率、最大输出功率、可靠性方面仍存在着很大的弊端和局限性。一系列的不利因素都限制了固态功率器件在耐高温、大功率、高频率、强辐射等高标准要求条件下的应用。新一代真空电子器件向高频段(毫米波、亚毫米波、太赫兹频段)、高功率、高效率、小型化、紧凑型等方向发展，它的进展代表了真空电子器件现代技术的水平，并制约着一个国家在航天、军事、通信等领域的发展。军事和通信领域提出了更高频段和更高功率的迫切要求，航天领域也一直把重量轻、能耗低的小型化、紧凑型和高效率的真空电子器件及其相关系统作为追求目标。制约这一发展的核心技术瓶颈之一就在于真空电子器件的阴极。阴极电子源是真空电子器件的重要组成部分，阴极性能优越于否，很大程度上决定了器件的整体性能。

目前，传统的真空电子器件普遍是利用热阴极作为电子发射源，随着科技的进步和发展，热阴极材料发射技术已经日趋成熟，然而热阴极发射系统仍存在许多弊端：1)热阴极通常工作在高温环境中，因此要求阴极系统有很高的的耐热性，这就直接导致热阴极系统工艺复杂、成本较高且体积笨重；2)上千度的高温工作环境容易致阴极系统灯丝的断裂或短路，损坏器件，阴极寿命短；3)系统启动时间较长，热阴极系统需要很长的加热时间才能达到工作所需的温度；这些都限制了热阴极电子光学系统的进一步发展。基于场发射的阴极被称为冷阴极，这是因为场发射是在强电场下固体内部电子跃迁过表面势垒直接进入真空的电子发射，它是一个量子隧穿过程，也是电子在不激发状态下就能进入真空的过程，这样的过程不需要额外的能量来激发电子，可在常温下进行，响应速度小于纳秒量级，出射电子具有相同的初速度和方向，电子发射密度高。因此，场发射冷阴极具有功耗低、响应速度快、电流密度大(可达每平方厘米10万安培以上)的优点。纳米材料与技术研究的进展，促进了冷阴极的制备技术和性能取得快速发展；同时，纳微结构的场发射冷阴极还具有高分辨率、高响应速度、小型化等特点，采用纳微结构场发射冷阴极电子源是实现阴极和器件性能变革的希望，符合新一代真空电子器件高频率高效率的发展特征。

传统微波管(比如行波管、速调管、返波管和磁控管等)向毫米波段的发展取得了很大的成绩，但是沿着这一方向继续前进将会遇到原则性的限制。传统微波管的高频系统尺寸与工作波长必须具有共度性，随着器件工作频率的不断提高，高频系统的尺寸越来越小，一方面会带来制造和装配上的困难，另一方面也使得电子注与高频场产生互作用的空间和时间越来越小，使得电子注的速度和密度调制不充分，器件的互作用效率和输出功率受到严重限制；正是这一原因成为传统微波管向毫米波、亚毫米波、太赫兹频段发展的严重障碍。为了发展新一代高效率大功率可集成的真空微电子辐射源，阴极和注波互作用的结合研究将会带来重大突破。

发明内容